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UMTSChapitre 4 : la couche physique de l’interface radio

Principe du CDMA__________________________________________________________ 1

Multiplexage sur voie radio___________________________________________________ 2

Utilisation des codes ________________________________________________________ 3

Les codes utilisés dans l’UTRAN ______________________________________________ 4

Les codes de brouillage ______________________________________________________ 5

Gain de traitement et puissance disponible ______________________________________ 7

Contrôle de puissance _______________________________________________________ 8

Contrôle de charge __________________________________________________________ 9

« Respiration » des cellules __________________________________________________ 10

Structure des canaux physiques ______________________________________________ 11

Synchronisations slot et trame _______________________________________________ 12

Diffusion des informations système____________________________________________ 14

Paging___________________________________________________________________ 15

Accès aléatoire des mobiles __________________________________________________ 16

Transport des données ______________________________________________________ 17

Exemples de formats DPCH _________________________________________________ 20

Traitement de bout en bout par la couche physique : exemple du service de phonie_____ 22

Traitement de bout en bout par la couche physique : cas général ___________________ 23

Détails des traitements______________________________________________________ 24

Adaptation aux fluctuations de débit source ____________________________________ 26

couche_physique.doc version du 04/03/2002 1

Principe du CDMADeux modes de duplexage

Mode FDD en W-CDMA pour les bandes appairées (2x 60 MHz)Mode TDD en W-TDMA / CDMA pour les bandes non appairées (35 MHz)

1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2200

TDDUL/DL

FDD UL MSS UL TDDUL/DL

FDD DL MSS DL

temps

Densité depuissance

fréquence

Densité depuissance

fréquence

FDD

TDD


Multiplexage sur voie radioTDD

Une seule fréquence utilisée alternativement dans chaque sensAvantages :- flexibilité dans l’allocation du spectre (pas de bande de garde)- bien adapté aux débits asymétriquesInconvénients : synchronisation (plus complexe)- nécessité d’avoir le même point de basculement up/down dans tout le réseau- ⇒ synchronisation des BS- ⇒ même niveau d’asymétrie dans tout le réseau

Cas d’un point de basculement différents entre deux cellules adjacentes :

FDDPossibilité d’émission/réception simultanée- Bien adapté aux débits symétriques- Allocation du spectre non optimisée (bande de garde)- Etat de maturité plus avancé que le mode TDD

NB : seul le mode FDD est étudié dans la suite du cours

UE2

UE1

Brouillage2 → 1


Utilisation des codesEtalement de spectre à séquence directe

Le signal d’information est directement multiplié par la séquence de code

UMTS« Chip rate » fixe de 3.84 Mcps(un chip ó un élément de code représentant un bit)Gain de traitement ou Spreading Factor « SF » variable selon le débitd’information

IS-95Chip rate fixe de 1.288 Mcps

CDMA-2000Chip rate variable multiple du chip rate utilisé dans IS-95 soit N x 1.288 Mcps⇒ plusieurs gains de traitement possibles pour le même débit d’informationN ∈ {1, 3, 6, 9, 12}

Exemple

Débit binaire N SF Débit chip Largeur debande(MHz)

UMTS 7.5 kbps 512 3.84 Mcps 5

UMTS 15.5 kbps 256 3.84 Mcps 5

CDMA-2000 9.6 kbps 1 128 1.288 Mcps 1.25

CDMA-2000 9.6 kbps 3 384 3.6864 Mcps 3.75


Les codes utilisés dans l’UTRANDeux types de codes :

- codes de channelisation OVSF- codes de brouillage

OVSF « orthogonal variable spreading factor »Type Walsh-Hadamard

SF = 1 SF = 2 SF = 4

C4,1 = (1, 1, 1, 1)

C2,1 = (1, 1)

C4,2 = (1, 1, -1, -1)

C1,1 = (1)

C4,3 = (1, -1, 1, 1)

C2,2 = (1, -1)

C4,4 = (1, -1, -1, 1)

2 séquences situées sur le même niveau hiérarchique sont orthogonales2 codes situés sur la même branche sont non-orthogonauxð limite importante dans l’allocation des codesð ex : si C 2,1 utilisé, on ne peut plus utiliser C 1,1, C 4,1, C 4,2 et tous les descendantsð débit utilisateur élevé ó SF faible ó on bloque une partie importante de l’arbre

SF admis par l’UTRAN :- 4 à 256 pour les canaux montants- 4 à 512 pour les canaux descendants


Les codes de brouillage (1)Limites des codes OVSF :

- ne constituent pas des séquences pseudo-aléatoires ⇒ pas forcémentd’étalement de spectre (ex : C 256,1 = 256 eb à 1)

- orthogonalité seulement pour des séquences alignées => difficulté liée à lanon-synchronisation des mobiles dans le sens montant

- ⇒ nécessité d’un 2ème traitement par des codes dits « de brouillage »

Principe d’allocation :Sens descendant :- un code de channelisation par canal physique- la cellule dispose de la totalité de l’arbre OVSF- un code de brouillage par cellule- ⇒ les codes de brouillage distinguent les cellules entre elles- 512 codes disponibles- ⇒ contrainte sur la planification du réseau (cellules proches ⇒ codes ≠ )

Chips

Informationbinaire

CodeOVSF

Code debrouillage

Modulation etémission

Horlogechip

Bits


Les codes de brouillage (2)Sens montant :- un code de channelisation par canal physique- le mobile dispose de la totalité de l’arbre OVSF- un code de brouillage par mobile- ⇒ les codes de brouillage distinguent les mobiles entre eux- 224 codes disponibles- ⇒ pas de contrainte sur la planification entre les mobiles (aléatoire)

Exemple d’allocation

Sens montant Sens descendant

Code de brouillage Code OVSF Code de brouillage Code OVSF

Mobile 1 Cs1 C8,1

C8,2

Cs1’ C4,1

Cellule 1

Mobile 2 Cs2 C8,1 Cs1’ C4,2

Mobile 3 Cs3 C8,1 Cs2’ C4,1Cellule 2

Mobile 4 Cs4 C8,1 Cs2’ C4,3

Problème de pénurie de code et de remplissage de l’arbre OVSF

C 4n,1 C 4n,1

C 2n,1 C 2n,1

C 4n,2 C 4n,2

C n,1 C n,1

C 4n,3 C 4n,3

C 2n,2 C 2n,2

C 4n,4 C 4n,4

Non optimum Optimum


Gain de traitement et puissance disponibleExemple d’un SF ≈ 8

Signaldésétalé del’usager i

C/I requis(≈ 6 dB)

Mêmesurface

Gain detraitement

SF = 8 Puissancetotale disponible

⇔niveaud’interférence max

Signaux

émis par les

autres mobiles

Signal étalé de l’usager i

Signal usager à débit + élevéð gain de traitement + faibleð puissance d’émission + élevée

Exemple d’un SF ≈ 4

Signal désétalé del’usager i

C/I requis≈ 6 dB

Mêmesurface

Gain detraitement

SF = 4 Puissancetotaledisponible

Signaux

émis par les

autres mobiles

Signal étalé de l’usager i

Largeur de bandeavant étalement

Largeur de bande après étalement (5 MHz)


Contrôle de puissanceSystème CDMA :

- chaque usager du réseau est une source d’interférence pour les autres- ressource partagée : puissance d’émission- dans le sens montant, contrôle de puissance indispensable pour éviter les

effets proche-lointain- nécessaire aussi dans le sens descendant pour limiter l’interférence entre

cellule

Mécanisme de régulation continu

Node B → mobileTransmission de bits TPC « transmit power control »Canal dédié DPCCH « dédicated physical control channel=

Sens montant1/ Boucle fermée rapide (« inner loop » 0.66 ms) pour réguler le C/I avec unedynamique de variation de 80 dB (permet de contrer l’atténuation due au fading)2/ Boucle fermée lente (« outer loop » pour mettre à jour le C/I cible en fonctionde la qualité mesurée sur la liaison (BER, …)BER = f(C/I, vitesse du mobile, profil trajet multiple, …)3/ Boucle ouverte à partir de paramètres diffusés par le réseau, moins précis,uniquement pour les initialisations de puissance (PRACH, PDCH)

UE1

UE2

Forteinterférence

Faibleinterférence


Contrôle de chargeContrôle de puissance : sens descendant

Moins critique : tous les signaux reçus par le mobile proviennent de la mêmesource (pas d’effet proche lointain)Boucle fermée rapide (0.66 ms) pour réguler le C/I avec une dynamique devariation de 30 dBBoucle fermée lente pour mettre à jour le C/I cible en fonction de la qualitémesurée sur la liaison

Charge limite ≈ 50%

Niveaud’interférence

0 10 20 30 40 50 60

Nombre d’utilisateurs par cellule

Pour de hauts niveaux de charge, la régulation de puissance décriteprécédemment peut devenir instable :- admission nouvel utilisateurð augmentation du niveau d’interférenceð augmentation de la puissance d’émission sur chaque liaisonð augmentation du niveau global d’interférenceð ….


« Respiration » des cellules

Lorsque le nombre d’utilisateurs dans la cellule augmente :- le niveau moyen d’interférence dans la cellule augmente ;- à puissance signal constante sur chaque liaison :

• C/I diminue

• Pour certains mobiles C/I devient inférieur au seuil de fonctionnement

• les mobiles situés en limite de cellule sont pénalisés en premier

- on peut combattre le phénomène par le contrôle de puissance mais la puissance d’émissionest bornée (cf page précédente),

- ⇒ le rayon effectif de la cellule diminue lorsque la charge dans la cellule augmente :phénomène de « cell breathing »

Couverture et capacité sont donc étroitement liées en CDMA- Charge ↑ ⇒ couverture ↓

Rappel : en GSM- sans saut de fréquence couverture = f{taille des cellules}- avec saut de fréquence couverture = f{taille des cellules + charge}

NB : le saut de fréquence peut être vu comme une forme d’étalement de spectre

Pour éviter l’instabilité du contrôle de puissance et des trous de couverture dus àde hauts niveaux de trafic, le niveau d’interférence reçu par une station de basedoit être contrôlé à l’aide d’algorithmes d’admission et de charge


Structure des canaux physiquesLa trame radio UTRAN

1 slot = 2560 chips

Slot 0 Slot 1 Slot i Slot 14

Une trame radio = 10 ms

La découpe en trame ne correspond pas à une répartition des ressources entreutilisateurs (≠ TDMA), mais plutôt à une structuration des données émises par unmême usagerPermet notamment l’ajout de bits de contrôle

Canaux physiques mis en jeu lors de la recherche de la celluleinitiale

Procédure exécutée par le mobile lors de la mise sous tension pour tenter des’inscrire sur le réseau (IMSI attach)Décodage successif de 3 canaux physiques- P-SCH primary synchronisation channel- S-SCH secondary synchronisation channel- CPICH common pilot channel


Synchronisations slot et trame

Slot 1 Slot 2 Slot 15Tslot = 2560 cps

CPICH CPICH CPICH

Cp Cp Cp

Csi,1 Cs

i,2 Csi,1

5

256 cps

1 trame = 10 ms

1ère phase : synchronisation slot – décodage du P-SCHP-SCH ó Cp code de synchronisation primaire = suite de 256 chips- répétée à chaque occurrence de slot- transmise à l’identique dans toutes les cellules de tous les réseaux UTRAN- � balayage par le mobile de toute la bande FDD- � corrélation entre le signal reçu et le code CP ⇒ synchronisation slot avec la station de

base la plus proche- NB : le P-SCH ne supporte pas de canal de transport

2ème phase : synchronisation trame – décodage du S-SCHS-SCH ó Cs

i code de synchronisation secondaire = suite de 15 séquences de256 chips0 ≤ i ≤ 63 ⇒ 64 suites distinctes- émis en synchronisme avec le P-SCH- identifie la cellule de manière unique dans une zone géographique donnée (planification)- permet la synchronisation trame du mobile- le S-SCH ne supporte pas de canal de transport

3ème phase : – recherche du code primaire de brouillage ó décodage du CPICHCPICH : suite de 10 symboles pilotes prédéfinis (SF = 256)- émise dans chaque cellule UTRAN ;- embrouillée à l’aide du code primaire de brouillage de la cellule- 512 codes de brouillage primaire ó 64 groupes de 8 codes- un groupe ó une séquence Cs

i (limitation de la durée de recherche)


- le CPICH ne supporte pas de canal de transport


Diffusion des informations systèmeCanal P-CCPCH « primary common control physical channel »

Slot 1 Slot 2 Slot 15Tslot = 2560 cps

P-CCPCH

Cp Cp Cp

Csi,1 Cs

i,2 Csi,1

5

256 cps

1 trame = 10 ms

- supporte le canal de transport BCH (ó canal balise BCCH en GSM)- contient les informations système essentielles

• identité du réseau• informations sur la cellule courante (niveau de puissance max, structure des canaux

communs)• informations sur les cellules voisines (fréquence, code primaire, …)• informations sur les cellules voisines d’autres technologies (CDMA, GSM, …)

- paramètres de codage et d’étalement invariants• doit être reçu par tous les terminaux de la cellule• pas de contrôle de puissance• facteur d’étalement 256 (code OVSF = (256, 1))• multiplexé en temps avec SCH

• débit utile kbpsxx

xx5.13

210256152)2562560(

=−

(codage convolutif de rendement ½)

• capacité très supérieure au GSM (780 bit/s)


PagingCanal S-CCPCH« secondary common control physical channel »

Supporte les canaux de transport FACH (Forward Access Channel) et PCH(Paging Channel) ⇒ canal descendant

1 slot = 2560 chips

TFCINTFCI

bitsDonnées Nd bits

PiloteNp bits



Contient 3 types d’informations- des bits de données (messages de signalisation issus des couches hautes)- des informations de contrôle de la couche physique

• rôle des bits pilotes : permettre une estimation de la réponse impulsionnelle du canal (connusde l’emetteur et du récepteur)

• rôle des bits TFCI (transport format combination indicator) : code le(s) format(s) detransport utilisé(s) pour le(s) canal(aux) de transport contenu(s) dans la trame courante

• TFCI erroné ⇒ trame perdue ⇒ protection particulière• TFCI et bits pilotes répétés à chaque slot de la trame• 18 formats possibles pour le S-CCPCH selon SF, codage canal, nombre de bits pilotes et

TFCI.

NB : FACH et PCH peuvent être :- multiplexés sur un même S-CCPCH- utiliser chacun un canal physique dédié


Accès aléatoire des mobilesPRACH « physical random access channel »

Canal MontantPermet l’accès aléatoire des mobiles (supporte le canal RACH) :- pour l’inscription après la mise sous tension du mobile- pour la mise à jour de localisation- pour établir une connexion à l’initiative du mobile- en réponse à un message de paging

Peut éventuellement transporter des données utilisateurs- transmission par paquet à faible débit

Pas de contrôle de puissance par le réseau :- transmission d’un préambule spécifique (4096 chips, SF = 256 ó « signature » de 16

symboles)- émis d’abord à puissance minimale puis de + en + fort jusqu’à acquittement du réseau

(sur un canal spécifique dit AICH)- émission des données (durée 10 ou 20 ms, SF = 32 à 256, soit 150 à 1200 bits avec uncodage convolutif de taux ½)

Préambule du RACH

Message du RACH

↑ ↑ ↑ ↓ ↑

Pas de réponse sur AICH Réponse sur AICH

Accès aléatoire ⇒ canal collisionnéLes mobiles sont répartis :- en temps (15 fenêtres d’émission toutes les 20 ms) – mode slotted-aloha- en code (le mobile choisit aléatoirement une des signatures disponibles et son code de

channelisation associé)- les signatures utilisables dans la cellule sont diffusées sur le BCCH- ⇒ permet de minimiser la probabilité de collision


Transport des données (1)DPCH « dedicated physical data channel »

Ressource dédiée à un usager offrant un délai de transmission et un débitconstant

2 sous-canaux physiques :

- le DPDCH « Dedicated Physical Data Channel »• transmet les données du plan usager (voix, messages)• transmet les données de signalisation issues des couches supérieures

- Le DPCCH « Dedicated Physical Control Channel »• transmet les données de contrôle spécifiques à la couche physique• bits pilotes (estimation de la réponse impulsionnelle du canal, profil de trajets

multiples)• bits TPC « transmit power control »• bits TFCI « transport format combination indicator »• bits FBI « feedback information » uniquement dans le sens montant


Transport des données (2)

Cas du canal DPCH descendantLes canaux de contrôle et de données sont multiplexés en temps

1 slot = 2560 chipsDPDCH DPCCH DPDCH DPCCH

DonnéesNd1 bits

TPCNTPC

bits

TFCINTFCI

bitsDonnées Nd2 bits

PiloteNp bits



Cette méthode minimise la consommation en code OVSF (important dans le sens descendant :un arbre OVSF pour une cellule)

bits

symboles


Transport des données (3)

Cas du canal DPCH montant

1 slot = 2560 chips

DPDCH Données Nd bits

DPCCHPiloteNp bits

TFCINTFCI

bits

FBINFBI

TPCNTPC

bits



Les canaux de contrôle et de données sont séparés sur les voies I et Q de lachaîne d’émissionDébitDPCCH ≠ DébitDPDCH ⇒ Cch1 ≠ Cch2

⇒ PDPCCH ≠ PDPDCH, le brouillage complexe permet une égalisation des puissances sur les voiesI et Q

Cette méthode de multiplexage optimise la consommation énergétique des terminaux(rendement des amplificateurs de puissance)

Cch2Cch1


Exemples de formats DPCHDPCH descendantó multiplexage DPDCH et DPCCH

N° deformat

SF Débit ensymbole

Ks/s

DébitDPCHKb/s

Bits/slot DPDCH(bits/slots)

DPCCH(bits/slot)

ND1 ND2 NTPC NTFCI Npilot

0 512 7.5 15 10 0 4 2 0 41 512 7.5 15 10 0 2 2 2 44 256 15 30 20 2 12 2 0 45 256 15 30 20 2 10 2 2 410 128 30 60 40 6 24 2 0 815 8 480 960 640 120 488 8 8 1616 4 960 1920 1280 248 1000 8 8 16

Transmission multi-code- Il existe un format utilisant 3 canaux physiques avec un SF de 4- ⇒ permet d’atteindre le débit utilisateur max (mythique !) de 2.8 Mb/s

NB : Si les bits TFCI sont absents, les positions des bits DPDCH sont fixés à une position pardéfaut

DPCH montantDPDCH sur voie I

N° deformat

SF Débit ensymbôle

Ks/s

Débit du canalKb/s

Bits/trames Bits/slot

0 256 15 15 150 101 128 30 30 300 204 64 60 60 600 405 32 120 120 1200 8010 16 240 240 2400 16015 8 480 480 4800 32016 4 960 960 9600 640

DPDCH sur voie QSF Bits/trame Bits/slot Pilotes/slot TPC/slot TFCI/slot FBI/slot

6 2 2 0256 150 10 5 2 2 1


6 2 0 2


Traitement de bout en bout par la couchephysique : exemple du service de phonieCas d’un flux descendant (cf chapitre 3 page 6)

Ici SF=128 soit 4015128

10.10210.84.3 36

=−

xxx

bits d’informations par slot (codage conv. taux ½)

Soit 40 = 34 bits utilisables par DCH multiplexés + 4 bits réservés signal pilote + 2 bits contrôle depuissanceTTI DPDCH = 20 ms ; TTI DPCCH = 40 ms


Traitement de bout en bout par la couchephysique : cas général

Blocs de transport Blocs de transport

Ajout du CRC Ajout du CRC

Concaténation/segmentation des transportBlocks

Concaténation/segmentation des transportBlocks

Codage canal Codage canal

Egalisation adaptation de débit

1er entrelacement Ajout des bits DTX

Segmentation trame 1er entrelacement

Adaptation de débit

Traitement deniveau

transportblock

ou canal detransport

Segmentation trame

Multiplexage des canauxde transport

Multiplexage des canaux de transport

Segmentation canal physique 2ème ajout de bits DTX

Segmentation canal physique

Traitement deniveau

CCtrCHou canal

composite

2ème entrelacement 2ème entrelacement

Etalement Etalement

modulation

traitement deniveau canal

physique

Modulation

Canal montant Canal descendant


Détails des traitements (1)Codage canal

Selon la qualité requise :- Convolutif (rendement ½ ou 1/3, longueur de contrainte 9) – appliqué aux faibles débits

(voix, …)

- Turbo-code – gain si codage sur un nombre important de bits => débits élevés

La fonction de concaténation/segmentation placé en amont du codage permet d’adapter la taille desblocs à coder aux contraintes du codeur :- bloc de 504 bits pour le codeur convolutionnel- bloc de 5114 bits pour le codeur turbo- ajout de bits de traînée pour purger les registres du codeur

CRC :- détection des erreurs résiduelles- demande de répétition de trames erronées par la couche RLC


Détails des traitements (2)

Egalisation et adaptation de débitPermet d’adapter la taille des blocs codés aux dimensions des canaux physiquesde l’interface radio

Canaux de transport ó débit usagerLe réseau choisit un SF permettant un débit le plus proche possible du débitdemandé (en sortie du codage canal)- Si débit supérieur : répétition de certains bits- Si débit inférieur : poinçonnage de certains bits

Entrelacement ⇒ optimisation des mécanismes de correctiond’erreur

Méthode d’entrelacement :- � rangement des bits par ligne dans une matrice- � permutation des colonnes- � lecture de bits par colonne

Deux niveaux :- canal de transport (inter-trame)Effectué pour un bloc de transport avant la segmentation => si une trame est entachée d’erreurs,après désentrelacement celles-ci sont réparties sur l’ensemble du transport blockImportance du TTI : TTI élevé => transport block réparti sur plusieurs trames => entrelacement plusefficaceEx : TTI = 80 ms=> 1 transport block = 8 trames radio

- canal physique (intra-trame)Effectué sur chaque trame avant le découpage en slot : si un slot est entaché d’erreur, celles-ci sontensuite réparties sur l’ensemble de la trame


Adaptation aux fluctuations de débitsource

3 niveaux possibles d’adaptation :

- au niveau canal logique – canal de transport• si baisse de débit possibilité de basculer le canal logique de trafic DTCH d’un canal de

transport dédié DCH vers un canal partagé DSCH• Géré par la couche RRC (côté réseau)

- au niveau canal de transport• A chaque TTI, choix du TF le plus adapté parmi le TFS• Exemple : en cas de baisse de débit, diminution de la taille de transport block

- au niveau canal physique• flux montant : le SF du DPDCH peut varier d’une trame à l’autre• le SF est indiqué dans le TFCI transmis sur le DPDCH associé (dont le SF est

constant)• flux descendant : le SF reste constant, interruption temporaire de la transmission par

insertion de bits « DTX »

NB : cette méthode n’est pas utilisée sur la voie montante pour des aspects CEM

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